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1、高等燃烧学 第七章 液体燃料的燃烧 液体燃料燃烧特点 （ 1）液体燃料在蒸气状态下燃烧 （ 2）液体燃料具有扩散燃烧的特点 （ 3）液体燃料需雾化后再燃烧 （ 4）液体燃料在不同的条件下，具有不同的热分解特性 液体燃料燃烧过程 液体燃料燃烧过程 1、雾化 2、蒸发 3、掺混 4、燃烧 水蒸发时的斯蒂芬流 0000,22 yfDJ OHOH 002 yf OH00,2 OHJ这时分界面处水汽分子扩散流是： ，所以 而分界面处空气浓度梯度也将导致空气分子的扩散流： 0000, yfDJ a i ra i r 水蒸发时的斯蒂芬流 0010,0000000,22a i ra i roHa i ra i
2、 rOHa i ra i rJyfyfyfffyfDJ 水蒸发时的斯蒂芬流 , 0 0 0 , 0 0 00, 0 0 0 , 0 0 00, 0 0 0 022220HOH O H Oa ira ir a irHOfg D fyfg D fygg 水蒸发时的斯蒂芬流 在水面蒸发问题中，斯蒂芬流（即水的蒸发流）并不等于水汽的扩散物质流，而是等于扩散物质流加上混合气总体运动时所携带的水汽物质流两部分所构成。 00000,000000,0,0, 22222 OHOHOHOHOH fyfDfJg斯蒂芬流产生的条件 是在相分界处有扩散现象存在 ， 有物理和 （ 或 ） 化学过程存在 ， 这两个条件是缺
3、一不可的 . Stefan流定义 在液体或固体燃料燃烧过程中 ， 气体与燃料的接触存在相界面 （ 异相反应 ） ， 燃料加热气化或燃烧过程中的气体为多组分气体 ， 这些气体在燃料界面附近产生浓度梯度 ， 形成各组分相互扩散的物质流 ， 只要在相界面上存在物理或化学变化 （ 如蒸发或燃烧过程 ） ， 而且这种变化在不断产生或消耗物质流 ， 这种物理或化学变化过程与气体组分的扩散过程的综合作用下 ， 在相界面法线方向产生一股与扩散物质流有关的总质量流 ， 是一股宏观物质流动 。 这一现象称 Stefan流 。 第二节 相对静止高温环境中液滴的蒸发和燃烧 基本假设： 1、 准定常 ， 即不考虑液面的
4、内移效应； 2、 球对称 ， 液滴与环境无相对运动 ， 考虑 斯蒂芬流引起的球对称径向一维流动； 3、 在火焰面上燃料与氧的浓度为 0； 4、 无辐射和体积力； 5、 热物性为常数 。 液滴燃烧与蒸发 基本 方程 连续和动量 组分质量和能量 处边界条件 边界条件 c o n s tpc o n s tGvrvr 0022 44 0rr 000000)( vvYdrdYDss sss wdrdYDrdrdrdrdYv )(1 22 ssp QwdrdTrdrdrdrdTvc )(1 22 0vv)0,;1,( FsFs)4/()( 20000 rGqqvdrdT ee r i n e ri n
5、e roxoxprFg YYYYYYTT ;0; 和纯导热方程的区别：有导热 /扩散和反应相；表面处有斯蒂芬流 。 运用连续方程和内边界条件：以及表面到任意半径处可得： sss wrdrdYDrdrdGYdrd 22 4)4()( 022 1 4 4rFFF rdYG Y r D r w drdr drwrdrdYDrGY oxrroxox 022 44 Fox ww ssp QwrdrdTrdrdTGcdrd 22 4)4()( drQwrdrdTrqTTcG ssrrep 0220 44)( 液滴纯蒸发 对纯蒸发 ， 反应率为零 ， 将上述一阶微分方程由液滴表面到半径为无限大处积分 ， 可
6、以得到蒸发率表达式 。 )(1l n 2 00egpp qTTccdG 000 11ln2FFYYDdG 当 时 1Le0000 1)(1l n 2FFegpp YYqTTcBBcdG 1l n 0 BGGdG BBB 1ln 1 时，高温下静止液滴蒸发时间 在准稳态下 ， 液滴表面的蒸发速率 G就是单位时间内液滴质量的减少量 200324 4 l n( 1 ) 2 l n( 1 )()62llG r v ar B ad Bd d ddGddd 4 l n( 1 )ldd a Bd 00,0rddd 220 8 l n 1lad d B 8 l n 1laKB当燃料成分和蒸发条件一定时， K为
7、常数（称为 蒸发常数 ） 220d d K 22008 l n( 1 )lrddK a B液滴完全的蒸发时间 r为 液滴完全的蒸发时间 r为 有燃烧时的液滴蒸发 运用 Zeldovich转换 ， 得到综合浓度 Z的输运方程 ， 其中无反应源项 。 在 Le=1时 ， 可以把扩散和能量方程合并 ， 得到有燃烧时的蒸发率表达式 。 G=inv（ 反应动力学 ） ； T0近似等于但小于 Tb。 ，综合扩散方程和能量方程 1 LeQYTcZ oxoxpdrdzcrQYqZZG poxoxe 200 4)( 1ln 2000oxoxep QYqZZcdG )(1l n 20000oxoxeoxoxoxp
8、p QYqQYYTTccdG 1l n 21l n 20 0000, fpeppox BcdqTTccdGY poxoxmempf cQYTTqTTcB /)( 0 扩散燃烧 B1ln 2 f0 pcdG 第三节 强迫气流中的液滴蒸发和燃烧 折算薄膜理论 有相对速度存在将引起： 1、液滴周围不再是球对称的 Stefen流了； 2、包围液滴的火焰呈卵形，而不是球形。 工程上采用一种近似方法 “折算薄膜 ” 的概念 基本思想： 把一个真实的二维轴对称对流传热 、传质问题转化成一个假想的等值球对称分子导热与扩散问题 。 第一步：先不考虑蒸发和燃烧 ， 把液滴看成是只和气流有对流换热的固球 ， 并把这
9、一真实的对流换热转化成一个假想的等固值球的导热过程 ， 对流传热等价于其中的导热； 第二步：不考虑对流的存在 ， 只研究这个假想的有分子导热与扩散的球层内的蒸发和燃烧 ， 从而找到蒸发和燃烧速率 。 )()( 001010*20 TTrrddTThdQ )/(/ 011*0* rrdNudhNu )2/( *01 NuNudd01*1* 2 ddNudNu vdvvNu /RePrRe6.02 0033.05.0* Ranze-Marshell公式 强迫对流下的液滴蒸发率 用折算薄膜半径来代替无限大外边界 ， 可以得到强迫对流下的 ， 有无燃烧的液滴蒸发率 斯蒂芬流削弱传热传质 ， 燃烧增强传
10、热传质 )(1l n 0*0egpp qTTccNudG )(1l n 0*0empp qTTccNudG )(/ 02000 TTddGqhdNu ge BBNuTTddqBcNudNuNugepe/1l n )(1l n *0200*0BBNuNuNu ff /1ln * *NuNu 定义 高强度蒸发 有燃烧的蒸发： 低强度蒸发： 滴径平方的线性递减率 Sreznevsky定律（ d2-Law） 对同样的燃料 ， 若环境温度和氧浓度不变 ， 忽略 Nu的变化 ， 则滴径平方的线性递减率成立 轻油在高温空气中蒸发或燃烧 ， K近于 1mm2/s，200微米液滴寿命 0.04秒 dtddddd
11、ddGt)(4)2/( 20100120 1020 4)( dGdtddK ff KKc o n s tKc o n s tK ,; tKddKtdd foo 2222)1l n (4);1l n (41*1*fpfpBcNuKBcNuK 蒸发常数 fosos KdKd / 22 液滴生存时间 理论分析的结论 液滴蒸发率正比于液滴直径和气体导热系数 液滴蒸发率正比于 ln（ 1+B） 或 ln（ 1+Bf） 液滴蒸发率正比于相对速度的平方根 无论有无燃烧 ， 液滴蒸发率均与反应动力学无关 只有对不变的环境氧浓度 ， 温度和 Nu数 ， 滴径平方的线性递减率成立 实验结果 液滴蒸发和燃烧有四种状
12、态：全包火焰；半包火焰；尾部火焰；纯蒸发 蒸发过程大致符合 d平方定律 。 煤油 ， 辛烷 ， 柴油 ， 石蜡烷 ， 重油的蒸发常数为 0.96， 0.95, 0.79, 0.7和 0.5 压力大于 1atm时 , K和 p的 0.25次方成正比 ， 小于 1atm时 ， 几乎和压力无关 全包火焰和纯蒸发时 ， K和相对速度的 1/2次方成正比 K和环境温度的关系不是 ln（ 1+B） ， 而是 B2 液雾燃烧 液雾燃烧类型 预蒸发型气体燃烧： 例如当进口空气温度较高 ，喷嘴离稳定区距离较远 ， 液雾较细 ， 就接近于这种情况 。 滴群扩散燃烧： 当进口空气温度较低 ， 液雾不太细 （ 或挥发
13、性较差 ） ， 到达燃烧区前蒸发量较少则形成滴群扩散燃烧 。 复合燃烧： 液雾中较细的滴在燃烧区前方预先蒸发掉 ， 形成一定程度的预混火焰 ， 而比较粗的滴到达燃烧区时尚未蒸发完毕 ， 继续进行滴群扩散燃烧 。 液雾燃烧模型 雾滴燃烧模型 基于雾滴运动 、 蒸发和燃烧进行一维分析 滴群扩散燃烧模型 滴间扩散燃烧模型 局部均相流 （ LHF） 模型 考虑气液两相间的相互耦合及燃烧空间分布的不均匀性 。 液雾燃烧模型 分离两相流 (SF)模型 离散液滴 （ DDM） 模型 连续液滴 （ CDM） 模型 连续介质 （ CFM） 模型 一维滴群扩散燃烧（ Port模型） Probert的一维滴群扩散模型是： 认为滴群燃烧是以单液滴扩散燃烧进行的 ， 考虑滴径分布的不均匀性 ， 忽略滴与气体之间的相对速度变化
